物联网技术在起重机动态监管中的应用

《物联网技术》杂志
2021-10-14 23:09
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引言

起重机是一种广泛应用于冶金、交通、电力、建筑、采矿、化工、造船、港口等工业生产的特种设备。目前,起重机不仅使用数量在不断扩大,同时也正在向大型化、高速化、自动化和多功能复杂化方向发展。国内外每年都因起重设备、起重作业造成大量的财产损失以及人身伤害事故。随着国民经济的发展,随之而来的起重机事故也越来越多,在全部产业部门的事故中,起重机械伤害事故约占总数的20%左右。我国随着起重机械使用数量的增多,起重机械伤害事故占全部工业企业伤亡事故的比例也呈逐年上升的趋势,近年已经达到15%左右。

为此,国家出台了一系列有关起重机安全管理的法律、法规、规范和标准文件,其中都要求加强对起重机运行的日常维护和监控,确保设备安全运行。在国家质检总局的《“十二五”特种设备安全与节能发展规划》的第一大类“信息化工程”中明确提到:“在电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、移动式特种设备等领域,鼓励和支持生产、使用、维保单位对设备实施基于物联网的远程动态监测、诊断和监控”。在国质检特联[2011]137号文(即《大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案》)中明确规定:“2012年,对大型起重机械,所有生产和使用单位要在本单位内对应每个品种(至少一台大型起重机械)要安装一套安全监控管理系统,以巩固和推广前期试点成果。2013年,要逐步在所有新制造的大型起重机械中全部安装安全监控管理系统。全面推进、取得实效。从2014年开始,在所有在用的大型起重机械上全部安装安全监控管理系统。2015年底,尚未安装安全监控管理系统的大型起重机械,将不准使用。”

由此可见,对起重机的动态监管已经越来越受到重视。目前,动态监管在制度上已经得到保证,而在技术层面上,为了实现起重机的动态监管,则必须依靠物联网技术等先进手段。

1物联网技术

物联网的最初概念是在1999年提出的,其被视为互联网的应用扩展。2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会上,国际电信联盟正式提出了“物联网”的概念。把物联网定义为:通过各种信息传感设备,如传感器、射频识别(RFID)技术、全球定位系统、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,与互联网结合的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,以方便识别、管理和控制。

物联网包括RFID、传感网、M2M和两化融合四大关键领域。其中,RFID是指射频识别技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。传感网是指一种随机分布的、集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。M2M是将数据从一台终端传送到另一台终端,也就是机器与机器的对话。从广义上讲,M2M可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信,它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。两化融合是指电子信息技术广泛应用到工业生产的各个环节,信息化成为工业企业经营管理的常规手段。信息化进程和工业化进程不再相互独立进行,不再是单方的带动和促进关系,而是两者在技术、产品、管理等各个层面相互交融,彼此不可分割,而这将催生工业电子、工业软件、工业信息服务业等新产业的发展。

从技术架构上来看,物联网可分为三层:感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成,包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢,它是物联网识别物体、采集信息的来源,其主要功能是识别物体和采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成,相当于人的神经中枢和大脑,负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口,它与行业需求结合,主要实现物联网的智能应用。物联网的行业特性主要体现在其应用领域内,目前,绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试,某些行业已经积累了一些成功的案例。

2起重机动态监管

起重机的动态监管是指在起重机整个运行寿命周期中,为准确掌握起重机的使用状态,由各级安全监察部门和监督检验单位通过现场安全监察和强制检验,采用现代化科技手段和管理手段,依法对特种设备安全状况进行实时跟踪管理的全过程。这一过程中主要应用的物联网技术手段包括RFID技术、GIS技术、传感器技术、M2M技术以及智能处理技术等。动态监管技术在起重机中的应用主要体现在四个方面。

2.1运行状态监控

对于起重机运行状态量的监控主要依靠物联网技术中的传感器技术和GIS技术等,监控的起重机主要运行状态量包括起重量、起重力矩、起升高度、大小车运行位置以及各种安全保护装置工作情况等。

国家标准GB/T28264-2012《起重机械安全监控管理系统》中规定了起重机运行状态安全监控管理系统的构成、性能要求、试验方法和系统的检验等。该系统作为起重机电控系统的一种功能要求,大部分状态量的获取都需要依靠传感器等物联网技术。

上海交通大学对塔式起重机远程虚拟监控建模与运行进行了可视化研究,其利用虚拟现实技术开发塔式起重机远程监控系统,基于DirectX技术构架虚拟化场景,实现了一个三维、高度逼真、实时交互的监控系统。太原科技大学研发了一种多台塔式起重机远程动态监控系统,该系统基于WEB实现多台塔式起重机的远程动态监控,通过该系统可实现多台塔式起重机网络化动态监控,然后通过无线通信技术、信源压缩编码、信源编码技术的应用,可有效实现多台塔式起重机的集中管理。西南交通大学设计的桥门式起重机智能监控系统,是一种基于AT89C5131的智能监控系统,该系统能实时测量和记录起重机的作业参数,对起重机运动部件的位置和钢丝绳倾摆角进行监控。浙江省特种设备检验研究院研制了一种桥门式起重机智能控制及GPRS监控系统,该系统可记录起重机的运行状态,同时具有设置检查项功能、黑匣子功能和GPRS远程数据传输功能。

2.2金属结构状态监控

金属结构作为起重机工作时的承载结构,其受力状态和损伤程度关系着整机的使用安全。对于起重机金属结构的状态监控,主要依靠物联网技术中的传感器技术,同时结合了传统压电传感器、光纤光栅传感器以及声发射等无损检测方法。

中国特种设备检测研究院设计并开发了一种大型起重机健康监测系统,该系统主要包括光纤传感子系统、解调子系统、健康监测诊断与管理子系统。通过该系统可以可靠、安全、方便地对起重机的结构应力数据进行采集,实现在各种环境下的起重机结构长期实时监测。天津港进行了基于虚拟仪器技术的岸桥应力监控系统设计,该系统以Labview软件为开发平台,是结合数据采集卡进行的一种岸桥金属结构应力监控系统,能够实现岸桥钢结构重点部位应力应变信号的高速同步采集和实时监测与分析等功能。

2.3人机互认管理系统

起重机的人机互认管理系统主要依靠物联网技术中的RFID技术和传感器技术来实现人与机器之间的智能识别,可从技术上保证操作人员与起重机的一一^对应关系。

南京市特种设备安全监督检验研究院研发的基于物联网的起重机人机互认监控系统,利用RFID自动识别技术来对起重机作业人员实施身份识别,并根据人员身份对起重机进行控制,从而实现起重机的正常作业、检修运行的监控管理。管理员、点检员和操作工进入起重机后,首先要通过RFID身份识别装置进行身份权限识别,不同的身份权限可以进行不同的起重机操作,在起重机作业人员通过身份识别后才可开启起重机,实现正常的起重机作业。当管理人员登陆锁定起重机后,其他人员均不可再登陆,直到管理人员解除锁定。管理人员可以授予不同作业人员的起重机操作权限。上海智大电子有限公司研制了一种基于AVR单片机的起重机操作检测装置,其利用AVR单片机ATmega16为处理器进行起重机操作的规范监测,可实时监测起重机的操作规范,并记录违规操作的类型和发生的时间。

2.4故障识别诊断技术

对起重机的故障识别诊断,首先需要利用物联网技术中的传感器技术获得起重机的状态量,再依靠神经网络、专家系统等智能技术对获取的状态量数据进行处理,从而实现故障的预期识别与诊断。

Sparrows集团开发的“MIPEG起重机监控系统”不仅能监测和记录起重机的负荷数据,还可以对数据进行分析,并在出现故障时发出警告,同时还具有3D限制回转操作显示器。韩军等人利用神经网络技术诊断桥式起重机轴承故障,其根据BP神经网络的滚动轴承故障振动诊断技术,并利用信号的时域特征参数和频域特征参数作为神经网络的输入信号,从而建立了一种故障诊断系统并进行试验。

3结语

目前,利用物联网技术的起重机动态监管主要集中应用在运行状态监控、金属结构状态监控、人机互认管理以及故障识别诊断等四个方面,而物联网技术包含的内容十分广泛,并在不断的发展之中。随着物联网技术的日益发展,今后可以从以下几个方面进行更加完善的起重机动态监控:

云计算、云存储技术的使用。云计算和云存储是一种通过互联网方式提供的动态可伸缩虚拟化资源的计算和存储模式。通过该模式在起重机动态监控中的应用,可以节省起重机的本地资源,实现各台起重机之间的数据交换和对比,防止本地数据丢失,保证动态监控数据的安全和长期性。

多网融合技术的使用。目前,起重机的动态监控多使用ZigBee等低速短距离无线传输方式,而包括电信网、广播电视网、互联网、电网在内的相互渗透和兼容的多网融合技术,则可形成统一的信息通信网络,该网络与物联网的互相结合,将使动态监控更加快捷和便利。

人工智能的使用。人工智能是使用计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为,主要包括计算机实现智能的原理来制造类似于人脑智能的计算机,使计算机能实现更高层次的应用。在起重机动态故障诊断中,采用人工智能,可以使故障预判行为更加合理和科学。

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